3D显示技术的原理及应用

刘妍秀

(长春大学 计算机科学技术学院，长春 130022)

3D显示技术的原理及应用

刘妍秀

(长春大学 计算机科学技术学院，长春 130022)

介绍了常见的3D显示技术的基本原理，对各种3D技术的优缺点进行了阐述，对3D显示技术目前的普及状况和应用领域作了详细说明。

人眼成像;偏光式3D;主动快门式3D;多层显示3D

3D显示技术也被称为三维立体显示技术，最早是由英国电影先驱William Friese-Greene在20世纪初发明的。经过了一个世纪的发展，3D显示技术已经有了长足的进步。目前常见的3D显示技术有红蓝滤光成像技术，偏光式3D技术，主动快门式3D技术等等。市场上使用3D显示技术的各类产品也越来越多。例如电影，电视，投影仪，数码相机，手机等等。与2D显示技术相比，3D技术能够给观众带来无以伦比的视听体验，满足观众不断增长的视听需求。3D显示正在成为不可逆转的潮流和趋势。

1 2D与3D显示技术的定义及特征

1.1 2D显示的定义及特征

2D也叫二维，指的是平面图像显示。2D图形只有水平的X轴与Y轴，没有纵向的Z轴。从常见的LCD显示器的物理参数中，我们就可以看到2D显示技术的一些基本要素:

1.1.1 分辨率

分辨率是显示器最重要的参数之一，指的是显示器屏幕上像素点的多少。它决定了被显示图像的清晰度。在显示器大小固定的情况下，分辨率越高，单位面积内的像素点越多，显示的图像就越清晰。常见的分辨率有1024x768，1280x1024等。

1.1.2 点距

点距指的是两个像素点间的距离，单位是毫米(mm)。距离越小，画面越细腻。

1.1.3 对比度

对比度指的是图像中白色最亮的部分与黑色最暗的部分之间的等级。对比度越高，色彩的反差越大，图像越鲜明亮丽。

1.1.4 色彩数

色彩数指的是每个像素点能够显示的颜色的数目。如果每个像素点用8bit大小的内存空间存储，那么每个像素点就可以显示256种不同的颜色。色彩数越大，显示的图像越接近真实。

1.1.5 可视角度

可视角度指的是在保证图像不失真的情况下，视线与屏幕中央的夹角。可视角度越大，能够观看的人数越多。

1.2 3D显示的定义及特征

3D也叫3维，指的是立体图像的显示。除了2D显示的一些特征之外，3D显示技术还具有深度要素［1］。

深度指的是纵向的Z轴，这也是3D与2D显示技术的根本区别。传统的2D显示技术也是能够通过阴影，光照等因素模拟出3D效果的。但这种效果与真实世界中的三维效果有着本质差别。2D技术由于没有保存实物的深度信息，所以并不能够描绘3D效果的真实细节，只是通过环境因素对3D效果进行的粗略模拟。3D显示技术由于保存实物的深度信息，所以才能够描绘真实的深度细节，给人带来身临其境的感受［2］。

2 3D显示技术的种类及原理

在介绍3D显示技术原理之前，让我们先看一下人眼成像的基本原理。人们之所以能够轻易地判断出物体在空间中的位置及不同物体间的相对位置，是因为人眼具有立体视觉［3］。人的双眼之间的距离大概在6厘米左右，在观察现实世界的物体时，由于存在这6厘米的间距，两个眼睛所观察到的影像会存在细微的差距。这个细微的差距，叫做像差。两个眼睛观察到的两幅具有像差的图像，在转化成电信号后传递到人的大脑，大脑通过对两幅图像进行比对，获取物体的深度信息，经过复杂的处理最终在大脑中形成物体的立体影像。人眼成像的过程如图1所示。

常见的3D显示技术有红蓝滤光成像技术，偏光式3D技术，主动快门式3D技术以及多层显示技术等。

图1 人眼成像的原理图模型

2.1 红蓝滤光成像技术

红蓝滤光成像也叫做色差式成像技术。这种技术成像原理最为简单，成本也最低廉，当然3D效果也是最差的。这种技术需要观看者佩戴红蓝立体眼镜。之所以称之为红蓝立体眼镜，是因为这种眼镜的两个镜片分别为红色和蓝色，能够对画面中对应的红色和蓝色进行过滤。如果将左眼和右眼看到的具有细微差距的两幅图像印刷在同一副图像中，那么由于红蓝眼镜的过滤作用，同一副图像就会被还原为两幅具有细微差距的原始图像，分别映射到左眼与右眼。根据人眼成像的基本原理，最终在大脑中形成立体影像。图2表示了红蓝滤光成像的基本原理。

图2 红蓝滤光成像原理图

2.2 偏光式3D技术

偏光式3D技术(Polarization 3D)是国内大部分院线采用的技术。这种技术利用了光线具有振动方向的特性。首先利用这种特性将图像按照水平与垂直两个方向分解成两组画面。观看者通过佩戴具有偏光镜片的特制眼镜，将这两组画面分别映射到左眼和右眼。经过大脑的合成后形成3D影像。这种技术虽然能够实现3D影像的显示，但是由于在图像的处理过程中，将一幅画面分成了两幅，结果就会造成分辨率减半，清晰度大大降低。

偏光式3D技术与红蓝滤光成像技术原理相似，唯一不同的地方是两种技术对光线的过滤方式不同。红蓝滤光成像技术对颜色进行过滤，而偏光式3D技术对光的方向进行过滤。

2.3 主动快门式3D技术

主动快门式3D技术与偏光式3D技术一样，都是利用了人眼成像的基本原理，但是在如何形成具有像差的两幅图像的方式上具有明显区别。主动快门式3D技术以帧为单位，左眼与右眼的图像分别对应不同的帧，连续交替的显示。左眼对应的帧显示在屏幕上时，通过显示器上的红外线控制开关，将观看者佩戴的3D眼镜的右眼镜片关闭。反之则关闭左眼镜片，使双眼能够在正确的时间看到正确的帧画面。与偏光式3D技术不同，由于双眼对应不同的帧画面，因此分辨率不会有任何降低，保持高画质。图3介绍了主动快门式3D技术的原理。

图3 主动快门式3D技术原理图

2.4 多层显示技术(Muti-Layer Display)

之前介绍的三种3D成像技术都需要观看者佩戴3D眼镜，这就在一定程度上限制了观看者得数量。如果观看者患有近视，那么很难获得愉悦的视听感受。多层显示技术属于裸眼3D技术的一种，对于观看者来说，不需要佩戴眼镜即可看到立体的画面，非常方便。

多层显示技术是2009年由美国PureDepth公司发明的。从物理结构上看，MLD技术需要两块或两块以上同样大小的液晶面板重叠排放，两块面板之间存在微小的距离。这种物理结构决定了人眼所感觉到的视觉深度的真实存在。另外通过图像处理软件模拟人脑对像差的处理过程，以及根据像差计算出真实的深度。最终将处理后的数据刷新到多层液晶面板。

2.5 各种3D成像技术的优缺点对比

表1描述了各种3D成像技术的优缺点对比情况。

表1 各种3D技术的优缺点对比

从上图中不难看出，多层显示技术已经解决了3D显示技术中的很多难题。不过由于专利问题，多层显示技术并未得到大规模应用，利用该技术的产品依然很少。另外为了进行快速的三维图形显示，VRAM还需要存储大量的图像数据［4］，对于显示硬件有更高的要求。这也是多层显示技术未得到大规模应用的另一个原因。

3 3D显示技术面临的根本问题

3D显示技术面临的最大的问题是观众长时间观看时，如何消除不舒适的感觉。当2010年初，詹姆斯·卡梅隆执导的《阿凡达》在国内上映时，引起了非常大的轰动。《阿凡达》有2D，3D和IMAX－3D三种版本，在给观众带来震撼的视觉享受的同时，也有很多观众反映，观看3D版本时发生了头晕，恶心等症状。这些症状产生的根本原因在于，目前各大院线使用的是偏光式3D技术或主动快门式3D技术。这两种技术的共同特征是观看者必佩戴3D眼镜，左右镜片通过快速开关实现左右眼分别观看自己的图像。这种方式属于强制性的对人眼的屈光状态进行修正［5］，如果人眼长时间处在不正常的状态，势必造成头晕，恶心等症状。

4 3D显示技术的应用领域

最早的3D显示技术到现在经历了很长的时间。目前支持3D显示技术的产品非常多，包括数码相机，手机，电视，游戏机，笔记本，投影仪，MP4等等。因此可以说3D显示技术的应用领域非常广泛，在影视传媒，家庭娱乐，公共信息传播等领域有着不错的表现。其中3D电影方面已经形成了完整的产业链，3D电视产业也在不断发展和完善中。

4.1 3D电影领域的发展现状

电影电视作为传统影视传媒领域的两大媒介，相对于报纸，杂志而言具有无可比拟的优势。但是随着显示技术的不断革新，2D显示技术已经不能满足观众对显示效果的不断追求。在这种情况下，影视传媒领域成为最早应用3D显示技术的领域。其中3D电影从内容拍摄，后期制作到播放的整个过程已经完全实现了产业化。从技术上讲，3D摄影机，3D数字放映机等设备已经非常成熟，在3D电影的整个产业链上，已经不存在技术方面的问题。设备成本方面，索尼，松下等厂商提供的专业的3D摄像机价格在20万人民币左右，相对于整部电影的拍摄成本而言，是完全可以接受的。

4.2 3D电视与3D电影的优缺点对比

4.2.1 3D电视的优点

与3D电影相比，3D电视既有明显的优势，也有很多不足之处。观众在观看3D电影时，需要佩戴沉重的3D眼镜，非常影响观看时的感受。对于近视的观众而言，更是无法达到预期的效果。3D电视利用裸眼3D技术很好的解决了这个问题，使观众在不佩戴眼镜的情况下，也能获得身临其境的视听感受。

4.2.2 3D电视的缺陷

3D电视的缺点也很明显。目前3D电视的价格接近2万元，除了电视本身的价格，还需要额外配置专门的播放设备，碟片，眼镜等等，对普通消费者而言，这些都是不可能接受的。另外3D资源不足是形成3D电视产业的另一个困难。3D显示技术虽然诞生了很久，但是真正在产品中使用3D技术却是最近几年的事情。这也造成了3D资源不足的情况。另外拍摄一部3D节目需要的成本比制作普通节目的成本大的多。制作完成后受众群体很小，收益很难达到预期。这也是3D电视难以真正普及的一个重要原因。

5 结语

虽然3D显示技术的发展仍然面临各种各样的问题，但是最近几年，3D显示技术已经有了较大进步。特别是裸眼3D技术的不断成熟，带动了3D电视领域的新一轮革新。在众多一线厂商，例如三星，夏普，LG，创维，长虹等厂商的不断努力下，相信在未来的十年内，将涌现出更多的3D电视产品，3D显示技术在其它领域也将获得长远的发展。

［1］ Barry G.Blundell.Creative 3D Display and Interaction Interfaces:A Trans-Disciplinary Approach［M］.USA WILEY-INTERSCIENCE.2006.

［2］ Bahram Javidi.Three-Dimensional Television，Video，and Display Technologies［M］.USA，springer，2002.

［3］ 王琼华.3D显示技术与器件［M］.北京:科学出版社，2011.

［4］ 杨文显，黄春华，胡建人.现代微型计算机原理与接口技术教程［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［5］ 戴琼海，曹迅，尔桂花.3D视频通信［M］.北京:清华大学出版社，2006.

Principles and Application of 3D Display Technology

LIU Yan-xiu

(College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper describes the basic principles of 3D display technology，intruduces the advantages and disadvantages and discusses the current popularity and application prospect of 3D technology in detail.

human visual system;polarization 3D;active shutter 3D;multi-layer display 3D

TN919.8

A

1009－3907(2011)12－0052－03

2011-09-14

刘妍秀(1984-)，女，吉林长春人，助理实验师，主要从事计算机方面的研究。

责任编辑:吴旭云